WO2005033497A1

WO2005033497A1 - 排熱回収装置

Info

Publication number: WO2005033497A1
Application number: PCT/JP2004/013952
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Yaguchi; Daisaku Sawada
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-04-14
Also published as: CN100516492C; CN1864002A; US7458216B2; JP3788453B2; JP2005106010A; EP1722091A4; EP1722091A1; US20060123779A1

Abstract

　排熱回収効率の低下を抑制して内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けるため、この排熱回収装置は、排気通路（１２２）に設けられた装置取付面（１２３）にスターリングエンジン（１００）が取り付けられる。このときには、排気通路（１２２）に設けられた装置取付面（１２３）と、高温側シリンダ（１０１）のヒータ接続側端面（１０１ｉｔ）、及び低温側シリンダ（１０３）のクーラー接続側端面（１０３ｉｔ）とが平行になるように取り付けられる。また、高温側シリンダ（１０１）は、排気の流れの上流側に配置される。そして、低温側シリンダ（１０３）は、高温側シリンダ（１０１）等の下流側に配置される。

Description

明細書

排熱回収装置

技術分野

[0001] 本発明は、排熱回収装置に関し、さらに詳しくは、排熱回収効率の低下を抑制して内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることのできる排熱回収装置に関する。

背景技術

[0002] 近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱ゃ工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきて、る。特許文献 1には、エンジンの無効容積を極力小さくして、エンジンの性能を十分保持できるとともに、伝熱管の溶接箇所を大幅に減少できる V型のスターリングエンジンが開示されている。

[0003] 特許文献 1：実開平 4 89836号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところで、スターリングエンジンによる排熱回収においては、排熱により効率よくヒータを加熱し、また、温度分布の小さい作動流体をシリンダ内に導入する必要がある。しかし、内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路に対するスターリングエンジンの取り付け方によっては、効率的にヒータ (加熱部）やクーラー（冷却器)を配置することが困難になる場合も多ぐその結果排熱回収効率の低下を招くことがある。しかし、特許文献 1には、スターリングエンジンを内燃機関の排気管等に取り付ける具体的な構成は開示されていない。

[0005] そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱回収効率の低下を抑制して内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることのできる排熱回収装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] 上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、前記第 1シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第 2シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記第 1ピストン及び前記第 2ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記第 1シリンダのヒータ接続側端面及び前記装置取付面と前記第 2シリンダのクーラー接続側端面とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。

[0007] この排熱回収装置は、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、シリンダのヒータ接続側端面及びクーラー接続側端面とを平行にして、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラー力ゝら第 2シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

[0008] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、前記第 1シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第 2シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交^^と、前記第 1ピストン及び前記第 2ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。

[0009] この排熱回収装置は、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、クランク軸の回転軸とを平行にして、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラーから第 2シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

[0010] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、前記第 1シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第 2シリンダに接続されるクーラ一とを含んで構成される熱交換器と、前記第 1ピストン及び前記第 2ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記熱媒体通路の中心軸と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。

[0011] この排熱回収装置は、熱媒体通路の中心軸と、クランク軸の回転軸とを平行にして

、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラーから第 2シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

[0012] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、上記排熱回収装置において、さらに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第 1シリンダが配置されることを特徴とする

[0013] この排熱回収装置は、上記排熱回収装置の構成を含み、さらに、ヒータに接続される第 1シリンダを熱源媒体の上流側に配置して、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラーの配管長、及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラー力ゝら第 2シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。また、温度の高い熱源媒体により加熱された作動流体が第 1シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。その結果、排熱回収効率の低下をより効果的に抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

[0014] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、前記第 1シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第 2シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交^^と、前記第 1ピストン及び前記第 2ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置されるとともに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第 1シリンダが配置され、かつ前記熱媒体の流れ方向の下流側に前記第 2シリンダが配置されるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。

[0015] この排熱回収装置は、ヒータに接続される第 1シリンダを熱源媒体の上流側に配置して、熱媒体通路に取り付ける。これにより、温度の高い熱源媒体により加熱された作動流体が第 1シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。また、第 1シリンダの下流側にクーラーに連結される第 2シリンダが配置されるので、熱源媒体の圧力損失抑制に好ましい設計が容易になる。その結果、内燃機関の排熱を回収する場合には、内燃機関の排圧に対する影響を小さくすることにより、内燃機関及び排熱回収装置の総合的な熱効率低下を抑制しつつ、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

[0016] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記ヒータのみが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする。

[0017] このようにすれば、熱源媒体通路内に配置できるヒータの全表面積を大きくすることができるので、排熱回収装置の排熱回収効率が向上する。

[0018] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記ヒータと前記再生器とが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする。

[0019] このようにすれば、熱源媒体通路内にヒータと再生器とが配置されるので、排熱回収装置を熱源媒体通路に取り付ける再には、取り付け場所の省スペース化を図ることがでさる。

[0020] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記第 1 シリンダと前記第 2シリンダとは直列に配置されることを特徴とする。

[0021] このように、第 1シリンダと第 2シリンダとが直列に配置された排熱回収装置の場合、熱媒体通路にヒータを配置すると、熱媒体の圧力損失を低減して、内燃機関等に対する排圧の影響を抑えつつ、排熱回収効率の低下を抑制することができる。 [0022] また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、少なくとも、前記第 1シリンダと、前記第 2シリンダとが基板に支持されるとともに、前記基板が排熱回収対象に取り付けられることを特徴とする。

[0023] 排熱回収装置の構成要素である第 1、第 2シリンダを支持する基板は、排熱回収装置の各構成要素の位置基準となる。このように、基板を前記各構成要素の位置基準として用いることによって、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、この基板は、排熱回収装置を排熱回収対象へ取り付けるときの基準としても使用できるので、排熱回収装置の取り付け精度も確保できる。

[0024] 次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記排熱回収装置が車両に取り付けられる場合には、前記クランク軸が前記車両の床に対して略平行に配置されて、前記クランク軸からは、前記車両の上下方向に対して略垂直方向に出力が取り出されることを特徴とする。

[0025] このような構成により、排熱回収装置を車両に搭載する場合においては、前記車両の上下方向に対する省スペース化を図ることができる。また、前記車両に対する搭載性も向上する。

発明の効果

[0026] この発明に係る排熱回収装置では、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、シリンダのヒータ接続側端面及びクーラー接続側端面とを平行にして、熱媒体通路に取り付けるようにした。これによつて、排熱回収効率の低下を抑制しつつ、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

[0027] また、この発明に係る排熱回収装置では、ヒータに接続される第 1シリンダを、熱源媒体の上流側に配置して、熱媒体通路に取り付けるようにした。これにより、温度の高い熱源媒体により加熱された作動流体が第 1シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率を向上させつつ、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]図 1は、本発明に係るスターリングエンジンを示す断面図である。

[図 2]図 2は、高温側ピストンをクランク軸に平行な方向力も見た断面図である。 [図 3]図 3は、ピストンを支持する空気軸受の説明図である。

[図 4]図 4は、内燃機関の排気通路にスターリングエンジンを取り付けた状態を説明する概略図である。

[図 5]図 5は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との関係を示す説明図でめる。

[図 6]図 6は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との関係を示す説明図でめる。

[図 7]図 7は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造の分解図でめる。

[図 8]図 8は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造の分解図でめる。

[図 9]図 9は、本発明に係るスターリングエンジンを車両の床下へ取り付けた例を示す説明図である。

[図 10]図 10は、本発明に係るスターリングエンジンを車両の床下へ取り付けた例を示す説明図である。

[図 11]図 11は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

[図 12]図 12は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

[図 13]図 13は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

[図 14]図 14は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

[図 15]図 15は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

[図 16]図 16は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

[図 17]図 17は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。

符号の説明

[0029] 100 スターリングエンジン

101 高温側シリンダ

lOlit ヒータ接続側端面

102 高温側ピストン

103 低温側シリンダ

103it クーラー接続側端面

104 低温側ピストン

105 ヒータ

106 再生器

106ht ヒータ側における端面

107 クーラー

107rt 再生器側における端面

108 熱交換器

120 内燃機関

122 排気通路

123 装置取付面 (排熱回収装置取付フランジ）

130 車両

発明を実施するための最良の形態

[0030] 以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収装置としてスターリングエンジンを用い、内燃機関の排熱を回収する場合を例とするが、排熱の回収対象は内燃機関に限られず、例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。

実施例 [0031] 図 1は、本発明に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図 2は、高温側ピストンをクランク軸に平行な方向から見た断面図である。図 3は、ピストンを支持する空気軸受の説明図である。まず、排熱回収装置であるスターリングエンジンについて説明する。本発明に係る排熱回収装置であるスターリングエンジン 100は、いわゆる α型の直列 2気筒スターリングエンジンである。そして、第 1シリンダである高温側シリンダ 101内に収められた第 1ピストンである高温側ピストン 102と、第 2シリンダである低温側シリンダ 103内に収められた第 2ピストンである低温側ピストン 104とが直列に配置されている。

[0032] 高温側シリンダ 101と低温側シリンダ 103とは、基準体である基板 10に支持されている。本発明においては、この基板 10力スターリングエンジン 100の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的位置精度を確保できる。また、この基板 10は、スターリングエンジン 100を排熱回収対象である排気通路等へ取り付けるときの基準として使用できるという利点もある。これにより、スタ一リングエンジン 100の取り付け精度を確保できる。

[0033] 高温側シリンダ 101と低温側シリンダ 103とは、ヒータ 105と再生器 106とクーラー 1 07とで構成される熱交翻 108によって接続されている。ここで、ヒータ 105の一端は高温側シリンダ 101に接続され、他端は再生器 106に接続される。再生器 106は、一端がヒータ 105に接続され他端はクーラー 107に接続される。クーラー 107の一端は再生器 106に接続され、他端は低温側シリンダ 103に接続される。

[0034] また、高温側シリンダ 101、低温側シリンダ 103及び熱交翻108内には作動流体

(ここでは空気）が封入されており、ヒータ 105から供給される熱及びクーラー 107で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン 102を駆動する。ここで、例えば、ヒータ 105、クーラー 107は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器 106は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ 105、クーラー 107及び再生器 106の構成は、この例に限られるものではなぐ排熱回収対象の熱条件やスターリングェンジン 100の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

[0035] 高温側ピストン 102と低温側ピストン 104とは、高温側シリンダ 101と低温側シリンダ 103内に空気軸受 112を介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによつて、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン 100の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においてもスターリングエンジン 100を運転することがでさる。

[0036] 空気軸受 112を構成するため、図 3に示すように、高温側ピストン 102と高温側シリンダ 101との間隔 tcは、高温側ピストン 102等の全周にわたって数十/ z mとする。なお、低温側ピストン 104及び低温側シリンダ 103も同様の構成である。これを実現するために、本発明にお、ては高温側シリンダ 101と高温側ピストン 102と低温側シリンダ 103と低温側ピストン 104とをガラスによって構成することが好ましい。なお、ガラスに限られず、セラミックスのような高弾性率材料で高温側シリンダ 101と高温側ピストン 102と低温側シリンダ 103と低温側ピストン 104とを構成してもよヽし、異なる材料を組み合わせてこれらを構成してもよい。また、加工の容易な金属材料を使用してもよい。

[0037] ここで、上記熱交^^ 108のヒータ 105は、内部を流れる作動流体を加熱するため、高温熱源内に配置される。このため、熱交 108は、スターリングエンジン 100と比較して熱膨張が大きくなる。この熱膨張により、高温側シリンダ 101と低温側シリンダ 103とは、その中心軸 Zhと Z1との軸間距離 1が大きくなる。これによつて、シリンダとピストンとのクリアランスを維持できなくなる結果、空気軸受 112の機能が発揮できなくなるおそれがある。

[0038] この実施例に係る本発明では、基板 10を高温側及び低温側シリンダ 101、 103の作動流体の導入側 101i、 103iに配置して、両シリンダを基板 10に組み付ける。このような構成により、高温側及び低温側シリンダ 101、 103を拘束して、前記軸間距離 1 の増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン 100の運転中、ヒータ 105が高温になった場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受 112の機會を発揮させることができる。

[0039] 高温側ピストン 102、低温側ピストン 104の往復運動は、コンロッド 109によってクランク軸 110に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド 109は、図 2に示す近似直線機構 113によって支持されており、高温側ピストン 102を略直線状に往復運動させる。なお、この近似直線機構 113は、グラスホッパ機構を利用している。このように、コンロッド 109を近似直線機構 113によって支持することにより、高温側ピストン 102のサイドフォース F (ピストンの径方向に向力う力）がほとんど 0になるので、負荷能力の小さい空気軸受 112によって十分にピストンを支持することができる。なお、低温側ピストン 104も、高温側ピストン 102と同様の構成によってクランク軸 110と連結される。

[0040] 図 1に示すように、クランク軸 110は、クランク軸支持体 20に設けられた軸受 25で、回転可能に支持される。クランク軸支持体 20は板状の部材であり、基板 10に固定される。また、近似直線機構 113は、クランク軸支持体 20に設けられた近似直線機構支持部 26によって支持される。このとき、クランク軸支持体 20は、高温側及び低温側シリンダ 101、 103と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板 10に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダ 101、 103は、クランク軸 110及び近似直線機構 113の振動や、クランク軸 110の熱膨張等の影響を受けないので、空気軸受 112の機能が十分に確保される。

[0041] 図 1に示すように、スターリングエンジン 100を構成する高温側シリンダ 101、高温側ピストン 102、クランク軸 110、近似直線機構 113等の各構成要素は、ケース 114 に格納される。ケース 114内は、加圧手段 115により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ 101、 102、及び熱交換器 108内の作動流体 (本実施例では空気 )を加圧して、スターリングエンジン 100からより多くの出力を取り出すためである。

[0042] また、本発明では、ケース 114にはシール軸受 116が取り付けられており、出力軸 1 17がシール軸受 116により支持される。出力軸 117とクランク軸 110とは、フレキシブルカップリング 118を介して連結されており、これを介してケース 114の外部へクランク軸 110の出力が伝達される。なお、この実施例において、フレキシブルカップリング 118には、オルダムカップリングを使用して、る。

[0043] 図 4は、内燃機関の排気通路にスターリングエンジンを取り付けた状態を説明する概略図である。図 5、図 6は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との関係を示す説明図である。排熱回収装置であるスターリングエンジン 100を、内燃機関の排熱回収に使用するにあたり、図 4に示すように、スターリングエンジン 100に備えられる熱交^^ 108の少なくともヒータ 105を、例えばガソリンエンジンやディーゼルェンジン等といった内燃機関 120の排気通路 122内に配置する。これにより、熱交換器 108のヒータ 105で、熱媒体である内燃機関 120の排気 G力も熱エネルギーを回収する。なお、内燃機関 120の排気通路 122は、本発明でいう熱媒体通路に該当する

[0044] ここで、ヒータ 105のみを排気通路 122内に配置するときは（図 5)、高温側シリンダ 101のヒータ接続側端面 lOlitと、再生器 106のヒータ側における端面 106htとは、各面に垂直な距離をできるだけ小さぐ好ましくは前記両面を面一とする。ヒータ 105 のみを排気通路 122内に配置すれば、排気通路 122内に配置できるヒータ 105の全表面積を大きくすることができるので、排熱回収効率が向上する。なお、ヒータ接続側端面 lOlitからは、ヒータ 105で加熱された作動流体が導入される。

[0045] 前記ヒータ接続側端面 lOlitと、再生器 106のヒータ側における端面 106htとを面一とすれば、排気通路 122内にヒータ 105を効率よく配置できるので、排熱の回収効率を向上させることができる。また、高温側シリンダ 101内へ導入する作動流体の速度分布や温度分布を均一化しやすくなる。これにより、スターリングエンジン 100の熱効率低下を抑制できる。ここで、面一とは、前記ヒータ接続側端面 lOlitと、再生器 1 06のヒータ側における端面 106htとが完全に同一平面上にある場合のみならず、製造公差上許容される範囲も含む (以下同様)。

[0046] また、排気通路 122の外側環境やスターリングエンジン 100の配置等の条件によつては、図 6に示すように、再生器 106を排気通路 122内に配置してもよい。このようにすれば、排気通路 122内にヒータ 105と再生器 106とが配置されるので、スターリングエンジン 100の取り付けの省スペース化を図ることができる。このときは、高温側シリンダ 101のヒータ接続側端面 lOlitと、クーラー 107の再生器側における端面 107r tとは、各面に垂直な面間距離をできるだけ小さぐ好ましくは前記両面を面一とする。前記ヒータ接続側端面 lOlitと、クーラー 107の再生器側における端面 107rtとを面一とすれば、排気通路 122内にヒータ 105と再生器 106とを効率よく配置できるので、排熱の回収効率を向上させることができる。

[0047] 熱交^¾108のクーラー 107は、スターリングエンジン 100の低温側シリンダ 103と排気通路 122との間に配置される。これにより、クーラー 107の配管長を揃えることができるとともに、クーラー 107の配管を直管で構成することができる。その結果、低温側シリンダ 103内に導入する作動流体の温度分布を低減できるとともに、クーラー 10 7による作動流体の圧力損失も抑制できるので、これらに起因するスターリングェンジン 100の熱効率低下を抑制することができる。

[0048] 排気通路 122とスターリングエンジン 100とは、排気通路 122に設けられた装置取付面 123を介して取り付けられる。このとき、装置取付面 123と、高温側シリンダ 101 のヒータ接続側端面 101it、及び低温側シリンダ 103のクーラー接続側端面 103itとが平行になるように、スターリングエンジン 100が排気通路 122へ取り付けられる。あるいは、前記装置取付面 123とクランク軸の回転軸 Zrとが平行に、もしくは排気通路 122の中心軸 Zpとクランク軸の回転軸 Zrとが平行になるように、スターリングエンジン 100が排気通路 122へ取り付けられる。これにより、既存の排気通路に大幅な設計変更を加えることなぐ容易に排気通路 122にスターリングエンジン 100を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である内燃機関 120本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン 100の熱交 «108を排気通路 122へ搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン 100を異なる排気通路に取り付ける場合でも、熱交換器 108の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。

[0049] 図 7、図 8は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造の分解図である。図 7に示すように、スタ一リングエンジン 100は、排気通路 122に設けられた装置取付面 123と、高温側シリンダ 101のヒータ接続側端面 101it、及び低温側シリンダ 103のクーラー接続側端面 103itとが平行になるように、排気通路 122の装置取付面 123へ取り付けられる。すなわち、図 7、図 8において、 θ = θ = θ となる。こ

1 2 3 のようにすることで、クーラー 107及び再生器 106のそれぞれの配管長 Lc、 Lrを揃えることができる。このとき、クーラー 107の再生器側における端面 107rt、及び再生器 106のヒータ側における端面 106 も、装置取付面 123と平行になるようにすることが好ましい（0 = θ = 0 )。

1 4 5

[0050] このようにすれば、低温側シリンダ 103内に導入される作動流体の温度分布を低減できるので、作動流体の温度分布に起因するスターリングエンジン 100の熱効率低下を抑制し、排熱回収効率低下を抑制することができる。なお、本発明でいう平行とは、完全な平行のみならず、製造公差上許容される範囲も含む (以下同様)。なお、装置取付面 123とクランク軸の回転軸 Zrとが平行に、あるいは排気通路 122の中心軸 Zpとクランク軸の回転軸 Zrとが平行になるようにスターリングエンジン 100を取り付けても、上記構成の奏する作用'効果と同様の作用'効果を奏する。

[0051] また、高温側シリンダ 101と高温側ピストン 102とは、排気 Gの流れの上流側、すなわち排気通路 122の内燃機関 120側に配置される。そして、低温側シリンダ 103と低温側ピストン 104とは、高温側シリンダ 101等の下流側、すなわち排気通路 122の出口 122ο側に配置される。このような構成により、温度の高い排気により加熱された作動流体が高温側シリンダ 101内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。その結果、スターリングエンジン 100の熱効率を向上させることができる。また、高温側シリンダ 101等の下流側に低温側シリンダ 103等が配置されるので、排気の圧力損失の抑制に好ましい設計が容易になる。これにより、内燃機関 120の排圧に対する影響を小さくして、性能低下を抑制できる。その結果内燃機関 120及びスターリングエンジン 100の総合的な熱効率を向上させることができる。なお、クーラー接続側端面 103itからは、クーラー 107で冷却された作動流体が導入される。

[0052] 図 9、図 10は、本発明に係るスターリングエンジンを車両の床下へ取り付けた例を示す説明図である。直列の α型スターリングエンジンにおいては、上述したように、高温側シリンダ 101と低温側シリンダ 103との配列方向が、クランク軸 110の回転軸 Zr と平行になる（図 1参照)。このため、高温側シリンダ 101等の下流側に低温側シリンダ 103等を配置すると、装置取付面 123とクランク軸 110とが平行になる。したがって、車両 130の床 131の下を取り回される排気通路 122にスターリングエンジン 100を取り付けるような場合には、スターリングエンジン 100の出力軸であるクランク軸 110 力車両 130の床 131と略平行に配置される。すなわち、クランク軸 110は、車両 13 0の上下方向（図中矢印 Y方向）に対して略直交するようになる。これにより、スターリングエンジン 100の出力は、車両 130の上下方向ではなぐ車両 130の上下方向（図中矢印 Y方向）に対して略垂直方向に取り出されるので、車両の上下方向に対する省スペース化を図ることができる。また、車両 130に対する搭載性も向上する。

[0053] 図 11一図 17は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造例を示す説明図である。図 11に示す取付構造例では、排気通路 122途中に、スターリングエンジン 100の排熱回収装置取付部 124を割り込ませ、この排熱回収装置取付部 124の排熱回収装置取付フランジ 123 (装置取付面 123)にスターリングエンジン 10 0を取り付ける。図 12は、図 11を矢印 A方向力もみた図である。図 12に示すように、排熱回収装置取付フランジ 123には、スターリングエンジン 100の熱交^^ 108を組み込むために開口 123οが形成されている。なお、排熱回収装置取付部 124は、例えば铸造によって製造することができる。

[0054] 図 13、図 14に示すように、熱交換器取付フランジ 125に熱交換器 108のヒータ 10 5が取り付けられる。ここで、図 14は、図 13を矢印 Β方向からみた図である。なお、再生器 106も排気通路 122内に配置する場合には、図 15に示すようにヒータ 105と再生器 106とを熱交^^取付フランジ 125へ取り付ける。図 16に示すように、スターリングエンジン 100の高温側シリンダ 101の作動流体導入側、すなわちヒータ 105側には、第 1連結フランジ 127aが設けられている。また、低温側シリンダ 103の作動流体導入側、すなわちクーラー 107側にはクーラー 107及び再生器 106が取り付けられるとともに、再生器 106のヒータ連結側には、第 2連結フランジ 127bが設けられている。

[0055] 図 16に示すように、ヒータ 105が取り付けられた熱交^^取付フランジ 125と前記第 1及び第 2連結フランジ 127a、 127bとをボルト 128で締結する。そして、図 17に示すように、少なくともヒータ 105を取り付けた熱交取付フランジ 125と、排熱回収装置取付フランジ 123とをボルト 126によって締結して、スターリングエンジン 100の少なくともヒータ 105を排気通路 122に取り付ける。

[0056] これにより、熱交^^ 108が形成されるとともに、スターリングエンジン 100が排気通路 122に取り付けられる。また、スターリングエンジン 100の基板 10と排熱回収装置取付フランジ 123との間に、連結部材 129を設けて両者を連結する。これにより、より確実にスターリングエンジン 100を排気通路 122に固定することができる。さらに、連結部材 129に強度部材としての機能を持たせれば、高温側シリンダ 101やクーラー 1 07に対して無理な力が作用することを防止できる。なお、スターリングエンジン 100を排気通路 122へ取り付ける際には、スターリングエンジン 100の基板 10を、排熱回収装置取付フランジ 123に対する取付基準とすることが好ましい。このようにすれば、上述した、排熱回収装置取付フランジ 123 (装置取付面 123)と高温側シリンダ 101のヒータ接続側端面 lOlit等との位置関係を、正確かつ容易に求めることができる。その結果、スターリングエンジン 100の取り付けが容易になるとともに、スターリングェンジン 100の取り付け精度も向上させることができる。スターリングエンジン 100を取り付けた排熱回収装置取付部 124は、これに設けられた取付フランジ 124fと、排気通路 12 2に設けた取付フランジ 122fとを固定することにより、排気通路 122に取り付けられる。また、前記熱交翻取付フランジ 125を、スターリングエンジン 100の基板 10として兼用してもよい。さらに、前記排熱回収装置取付フランジ 123を、スターリングェンジン 100の基板 10として兼用してもよい。

[0057] 以上、この実施例に係る本発明によれば、熱媒体通路に排熱回収装置を取り付ける際には、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、高温側シリンダ及び低温側シリンダのヒータ接続側端面及びクーラー接続側端面とが平行になるように取り付ける。あるいは、前記装置取付面と排熱回収装置のクランク軸の回転軸とが平行に、もしくは排気通路の中心軸 Zpと前記排熱回収装置のクランク軸の回転軸とが平行になるように、排熱回収装置を取付ける。これにより、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、低温側シリンダ内に導入される作動流体の温度分布や速度分布を低減できる。その結果、作動流体の温度や流速の分布に起因する排熱回収装置の熱効率低下を抑制し、排熱回収効率低下を抑制することができる。また、装置取付面を介して熱媒体通路に取り付けるので、排熱回収装置を容易に熱媒体通路に取り付けることができる。

[0058] また、この実施例に係る本発明によれば、高温側シリンダは熱媒体の流れの上流側に配置され、低温側シリンダは高温側シリンダの下流側に配置される。このように配置により、温度の高い熱媒体により加熱された作動流体が高温側シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。また、高温側シリンダの下流側に低温側シリンダが配置されるので、熱媒体の圧力損失の抑制に好まし、設計が容易になる。その結果、内燃機関力も排熱を回収する場合には、排圧に対する影響を小さくして、内燃機関及び排熱回収装置全体の熱効率を向上させることができる。このように、本発明では排熱回収効率低下を抑制できるとともに、熱媒体の圧力損失も抑制できるので、例えば内燃機関から排熱を回収する場合のように、熱媒体の温度が比較的低い場合には特に有効である。

産業上の利用可能性

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関や工場の排熱回収に有用であり、特に、排熱の温度レベルが比較的低い場合に適している。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、

前記第 1シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第 2シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、

前記第 1ピストン及び前記第 2ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、

装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記第 1シリンダのヒータ接続側端面及び前記装置取付面と前記第 2シリンダのクーラー接続側端面とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。

[2] さらに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第 1シリンダが配置されることを特徴とする請求項 1に記載の排熱回収装置。

[3] 第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、

装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。

[4] さらに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第 1シリンダが配置されることを特徴とする請求項 2に記載の排熱回収装置。

[5] 第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、前記第 1シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第 2シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、

熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記熱媒体通路の中心軸と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。

[6] さらに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第 1シリンダが配置されることを特徴とする請求項 3に記載の排熱回収装置。

[7] 第 1シリンダ及び第 2シリンダと、前記第 1シリンダ及び前記第 2シリンダ内を往復運動する第 1ピストン及び第 2ピストンと、

熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置されるとともに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第 1シリンダが配置され、かつ前記熱媒体の流れ方向の下流側に前記第 2シリンダが配置されるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。

[8] 前記ヒータのみが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする請求項 1一 7のいずれか 1項に記載の排熱回収装置。

[9] 前記ヒータと前記再生器とが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする請求項 1一 7のいずれか 1項に記載の排熱回収装置。

[10] 前記第 1シリンダと前記第 2シリンダとは直列に配置されることを特徴とする請求項 1 一 7のいずれか 1項に記載の排熱回収装置。

[11] 少なくとも、前記第 1シリンダと、前記第 2シリンダとが基板に支持されるとともに、前記基板が排熱回収対象に取り付けられることを特徴とする請求項 1一 7のいずれか 1 項に記載の排熱回収装置。

[12] 前記排熱回収装置が車両に取り付けられる場合には、前記クランク軸が前記車両の床に対して略平行に配置されて、前記クランク軸からは、前記車両の上下方向に対して略垂直方向に出力が取り出されることを特徴とする請求項 1一 7の、ずれか 1 項に記載の排熱回収装置。

[13] 前記ヒータのみが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする請求項 10に記載の排熱回収装置。

[14] 前記ヒータと前記再生器とが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする請求項 10に記載の排熱回収装置。